陜西黃帝陵跨坐式單軌觀光線牽引供電系統設計

張明銳 張海龍 曾國鋒 王國強

(1. 同濟大學電子與信息工程學院， 201804， 上海；2. 同濟大學磁浮交通工程技術研究中心， 201804， 上海//第一作者， 教授)

0 引言

國內景區多采用電瓶車、無軌電車、公交車來疏運游客，這些交通方式運量小、安全性較低。為保障游客安全，提升景區交通運輸能力，解決旅游旺季游客出入難的問題，國內已有西安曲江、北京雙龍峽、深圳歡樂谷等多個景區建設了觀光火車。

根據陜西黃帝陵觀光項目需要，配套建設一套觀光火車交通系統。各種用于景區觀光的交通制式比較見表1[1-3]。陜西黃帝陵觀光項目選擇了跨坐式單軌交通，其特點主要表現為：①適宜山區小轉彎半徑、坡度大的特殊環境;②維護簡單、對景觀影響小;③獨立于地面交通，安全性較高。該系統主要用于游客集散中心至黃帝陵景區的短途接駁；在旅游淡季，兼備縣內交通運輸的功能。一方面解決了景區的交通疏散問題，同時提升了縣域的交通能力。

表1 各種用于景區觀光的交通制式比較表

1 黃帝陵觀光線線路概況

黃帝陵觀光線(見圖1)全長10.6 km，其中并線段為4.9 km。為了不影響黃陵縣交通，全線采用高架，沿沮河走行。全線設置黃帝陵和游客中心2座車站以及1個控制維修中心(位于黃帝陵車站)。

2 黃帝陵觀光線供電系統方案

2.1 外部電源供電方式

圖1 黃帝陵觀光線工程線路圖

方案一：采用集中式供電，引入兩路10 kV電源。中壓網絡采用10 kV電纜全線貫通，中間采用環網聯絡開關，當一路電源退出運行時，由另一路電源支援供電。其優點是外界干擾少、供電能力強，能滿足大容量用電的需求。其缺點是占地面積大、工程總投資較高、技術經濟性較差。

方案二：采用分散式供電，每一個牽引變電所引入一路10 kV電源。中壓網絡采用環網聯絡開關，一路電源退出運行時，相鄰電源支援供電。其優點是無需建設主變電所，牽降變電所的電源全部由電業部門提供。其缺點是電源引入較多，協調及電源建設不確定因素較多。

集中式供電受外界干擾小、可靠性較高，因此黃帝陵觀光線外部電源采用集中式供電方案，由游客中心站和黃帝陵站引入兩路10 kV電源，中壓網絡采用單環網接線方式，如圖2所示。

圖2 黃帝陵觀光線外部電源供電方案

2.2 車輛選型

設計初期，為了縮短發車間隔，工程線路采用環線，線路兩頭設計為圓形“燈泡線”。正常情況下，列車無需入庫，只有在檢修時才進入車庫，能夠大大縮短發車間隔。雖然“燈泡線”的設計避免了入庫影響列車發車間隔的問題，但隨之而來的是小轉彎半徑問題(兩端“燈泡線”的曲線半徑為35 m)，因此，在車輛選型時需選用能在轉彎半徑較小的線路上運行的車輛。

黃帝陵地區的游客數量呈現季節性變化，清明、國慶、春節節假日期間游客較為集中。根據黃陵縣政府網站發布的游客數據顯示，2015年“十一”黃金周黃帝陵景區共接待海內外游客113 648人，僅國慶節當天景區就接待游客9 594人。因此在車輛選型時，還需考慮其運量是否能夠滿足旅游旺季的交通需求。選用車輛參數如表2所示。

表2 車輛參數

列車行車組織如表3所示。由表3可見，車輛適用線路的最小轉彎半徑符合黃帝陵工程參數要求。當發車間隔為3 min、列車數量為12列時，全天運量為10 080人，能夠滿足節假日客流高峰期的運能需求。

2.3 接觸軌選型

黃帝陵觀光線供電制式為DC 630 V，若采用接觸網供電，會大大影響黃帝陵景區的景觀。為了降低對景區沿線景觀的影響，選擇了接觸軌供電方式。接觸軌材料的電阻直接影響著全線接觸軌電壓降，其耐流值決定著同一區間內可同時啟動的最大列車數。因此，接觸軌的選型需和牽引變的數量、發車間隔等因素同時考慮。表4為不同類型的接觸軌參數。

表3 黃帝陵觀光線列車行車組織

表4 接觸軌參數

從表4中可看出，C型軌和工字軌都具有較高的耐流值和較低的電阻，但是它們都存在成本較高、截面積大、可彎曲程度小、不適宜小轉彎半徑線路、需要單獨安裝安全防護罩等問題。故在設計時選用了延展性好、無需安裝安全防護罩的鋼鋁復合安全滑觸線。安全滑觸線安裝示意圖如圖3所示。

單位：mm

a) 設計圖

b) 實物照片

2.4 牽引變電所位置及容量

黃帝陵觀光線參考了地鐵建設的經驗，采用DC 1 500 V供電時，牽引變電所的間距一般設置為3～4 km；采用DC 750 V供電時，牽引變電所間距一般設置為1～2 km[5]。考慮到黃帝陵觀光線供電采用的是DC 630 V，因此牽引變電所間距設置應與采用DC 750供電時的相當，以保證列車的正常起動。

方案一：全線設置3個牽引變電所，每隔約1.35 km設置1個牽引變電所，黃帝陵站和游客中心站不設牽引變電所。選取型號為081319的安全滑觸線，進行牽引供電仿真計算，計算結果如表5、表6所示。

方案一電壓降基本能夠滿足GB 50157—2013《地鐵設計規范》的要求，較為理想。經實地考察，游客中心站設有車輛維修庫，且后期需和黃帝陵站同時建設商業中心，需要設置牽引降壓混合變電站；如果直接在站點增加2個牽引降壓混合變電站，將會使全線供電系統成本增加10%～20%。

表5 方案一牽引供電仿真計算(正常供電)

表6 方案一牽引供電仿真計算(任一牽引變電所解列)

方案二：全線設置4個牽引降壓混合變電所(見圖1中4個白色實心圓點)，在黃帝陵站和游客中心站各設1個，另外2個等間距設置在線路中。牽引供電仿真計算結果如表7、表8所示。

表7 方案二牽引供電仿真計算(正常供電)

表8 方案二牽引供電仿真計算(任一牽引變電所解列)

參照GB 50157—2013《地鐵設計規范》對于觸網電壓波動的要求，采用DC 630 V供電時，任一點觸網電壓應不低于DC 419 V。從表7、表8的數據來看，方案二能夠較好地滿足要求。按照黃帝陵觀光線路的需求，兩個站點空間較大，用電也較大，可設置牽引降壓混合變電所。沿途為河道，可利用的空間較小，可設置2個箱式變電站。根據車輛參數、列車編組、發車間隔、供電軌、牽引變電所間距等參數，在筆者開發的PSSC 2016 V 1.0.Net軟件中進行仿真計算，結果如圖4所示。依據仿真計算結果，選定了牽引變電所的容量(見表9)。

2.5 電力監控系統

由于黃帝陵觀光線牽引變電所距車站較遠，手動分合閘操作不便，所以需設置電力監控(SCADA)系統。黃帝陵觀光線屬于觀光旅游線路，對于SCADA系統要求較為簡單，具備遙控、遙測、遙信的功能即可。SCADA系統由服務器、智能測量儀表、保護裝置、操作軟件等組成，系統結構圖如圖5所示。

圖4 仿真計算軟件計算結果圖

牽引變電所編號牽引變電所位置牽引變電所容量/(kVA)自用變電所容量/(kVA)1K 0+3001 2503152K 2+0071 0001003K 3+4201 0001004K 5+4351 250315

2.6 短路計算

直流側穩態短路計算是牽引供電系統設計中必不可少的環節，是確定直流保護整定值等參數的重要依據，對觀光線1#、2#牽引變電所進行直流側穩態短路計算。取一次側短路容量為150 MVA，雙邊供電仿真結果如圖6所示。

從圖6可以看出，短路電流隨著距離的增大而減小。牽引變電所提供的最大短路電流值為15.588 kA，該值出現在變電所端口附近；最小短路電流值出現在相鄰變電所附近，為5.312 kA。

圖5 SCADA系統結構圖

圖6 牽引變電所直流側穩態短路仿真計算結果

3 結語

利用筆者開發的PSSC 2016 V 1.0.Net軟件，對黃帝陵觀光線的牽引供電系統的關鍵參數進行了仿真計算。依據仿真結果及工程特點，提出了合理的方案，完成了黃帝陵觀光線牽引供電系統各部分的初步設計。對于今后國內景區觀光線供電系統的設計有較好的借鑒意義。